電裝株式會(huì)社：汽車(chē)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀

 引言

電裝株式會(huì)社 (DENSO Corporation) 是領(lǐng)先的汽車(chē)供應(yīng)商，致力于為全球大型汽車(chē)制造商設(shè)計(jì)和制造先進(jìn)的車(chē)輛控制技術(shù)、系統(tǒng)和零件。電裝創(chuàng)立于1949年，總部位于日本刈谷市，在35個(gè)國(guó)家和地區(qū)經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)，全球員工人數(shù)約12萬(wàn)人。該公司的電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)部門(mén)提供發(fā)動(dòng)機(jī)、傳送裝置、電源管理電子控制單元(ECU)以及半導(dǎo)體傳感器、集成電路和電源模塊。

我與電裝第二電子工程部門(mén) (Electronics Engineering Division 2) 產(chǎn)品技術(shù)規(guī)劃部的項(xiàng)目經(jīng)理助理Takuya Shinoda見(jiàn)面商討電裝如何使用熱模擬來(lái)顯著減少設(shè)計(jì)時(shí)間與成本。Takuya Shinoda負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置的熱設(shè)計(jì)。Shinoda精通機(jī)械和電氣學(xué)，才能非凡。正如他所說(shuō)的，“熱設(shè)計(jì)將機(jī)械和電氣這兩個(gè)學(xué)科緊密相連。熱管理主要涉及機(jī)械問(wèn)題，而熱在硅中產(chǎn)生，因此也有必要掌握電子學(xué)，才能正確地進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。”

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在制造高能效的環(huán)保汽車(chē)時(shí)，車(chē)輛及零件的ECU尤為復(fù)雜。成功的熱設(shè)計(jì)對(duì)制造商而言至關(guān)重要。

圖1：縮小元件尺寸推進(jìn)散熱技術(shù)發(fā)展

促成這樣一個(gè)車(chē)輛系統(tǒng)的集成電路或場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET) 的結(jié)點(diǎn)溫度必須在正常工作的溫度范圍內(nèi)。由于不可能直接測(cè)量結(jié)點(diǎn)溫度，工程師過(guò)去常常根據(jù)對(duì)表面測(cè)量溫度的假設(shè)來(lái)預(yù)測(cè)電子元件的結(jié)點(diǎn)溫度，并設(shè)立更寬泛的設(shè)計(jì)冗度。

為應(yīng)對(duì)當(dāng)前激烈的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，保證質(zhì)量，優(yōu)化設(shè)計(jì)冗度和達(dá)到整體成本效益非常重要。

模擬節(jié)省產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間和成本

Shinoda在一個(gè)展覽上首次見(jiàn)識(shí)到了電路板的流體流動(dòng)視覺(jué)化效果，并在2006年開(kāi)始尋找一種熱設(shè)計(jì)工具。電裝通過(guò)嚴(yán)格的基準(zhǔn)測(cè)試否決了其它工具，最終選擇了FloTHERM®和FloTHERM® PCB用于熱設(shè)計(jì)流程。

在電裝開(kāi)始利用熱模擬之前，早期是通過(guò)物理ECU原型進(jìn)行溫度測(cè)量。通常需要2-3周的時(shí)間來(lái)準(zhǔn)備進(jìn)行半天的測(cè)試，而在產(chǎn)品成型之前這種測(cè)試可能要重復(fù)多次。

自2006年起，電裝一直在加強(qiáng)對(duì)模擬軟件的使用，以便減少花在物理原型方面的時(shí)間和成本。2009年，對(duì)模擬與物理原型的使用之比為20:80，到2010年已提高到50:50。2012年則達(dá)到了70:30。這種轉(zhuǎn)變使熱設(shè)計(jì)相關(guān)的時(shí)間和成本在不到六年的時(shí)間內(nèi)降低了50%。電裝計(jì)劃進(jìn)一步加大對(duì)模擬的使用，到2015年將這一比例提高到90:10以上。

圖2：熱管理方面的技術(shù)創(chuàng)新

受益于熱專業(yè)技術(shù)集中化

電裝通過(guò)熱技術(shù)集中化，成功在生產(chǎn)流程中引入熱分析，并將這種專業(yè)技術(shù)用于全公司。通過(guò)了解不同設(shè)計(jì)部門(mén)的需求，Shinoda的熱部門(mén)已經(jīng)能夠通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)，利用熱模擬來(lái)提高散熱效率，從而迅速改善設(shè)計(jì)質(zhì)量。

在熱設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)人員通常主要通過(guò)改變外殼形狀來(lái)增強(qiáng)散熱效果。通過(guò)在熱設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員間分享外殼形狀與電子設(shè)計(jì)可以達(dá)到最佳效果。電裝已經(jīng)決定使用現(xiàn)有的元件模型(圖3)。機(jī)械組創(chuàng)造了更小的產(chǎn)品外殼、電路設(shè)計(jì)組按照新規(guī)格重新設(shè)計(jì)了10%-20%的電路，而測(cè)量組量取了溫度進(jìn)行熱分析。通過(guò)合作，電裝能夠在兩天內(nèi)制作出產(chǎn)品的工作熱模型。這離不開(kāi)每個(gè)小組的工程師的努力。

圖3:熱技術(shù)集中化的優(yōu)勢(shì)——模擬與測(cè)量

提高模擬準(zhǔn)確性的特性

除了上文提及的希望不再使用物理原型，測(cè)量在電裝的熱設(shè)計(jì)過(guò)程中還起到非常重要的作用。為了支持熱模擬，電裝采用明導(dǎo)的T3Ster™以確定 ECU元件和熱界面電阻在模擬過(guò)程中的不同特性。T3Ster 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性使電裝能夠提高其熱模擬的準(zhǔn)確性，使他們能夠放心利用模擬結(jié)果。

將 T3ster 測(cè)量數(shù)據(jù)輸入FloTHERM可以提高設(shè)計(jì)中的結(jié)點(diǎn)溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，從而確保結(jié)點(diǎn)溫度不超過(guò)規(guī)定限值。這個(gè)要求非常高，需要對(duì)模擬模型有很強(qiáng)的信心。如今達(dá)成共識(shí)的結(jié)點(diǎn)溫度上升范圍必須控制在試驗(yàn)數(shù)值的10%以內(nèi)。電裝希望到2015年將這一范圍進(jìn)一步控制在5%以內(nèi)。

Shinoda解釋道：“JEDEC JESD51-14 標(biāo)準(zhǔn)于2010年發(fā)布。其精確性和可重復(fù)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)遵循老標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)態(tài)測(cè)量。T3Ster 是市面上唯一符合這項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，能夠準(zhǔn)確估算熱阻和結(jié)點(diǎn)溫度。此外，使用 T3Ster 獨(dú)有的結(jié)構(gòu)函數(shù)，簡(jiǎn)單精確的元件模型也可借由測(cè)量數(shù)據(jù)生成。”

電裝發(fā)現(xiàn)有必要通過(guò)電子元件進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，以便提高模擬的精確性，從而消除設(shè)計(jì)中過(guò)多的熱工裕量。

FloTHERM產(chǎn)品系列(包括FloTHERM PCB和FloTHERM PACK)已經(jīng)成為一個(gè)重要的工具包，被用于電裝的整個(gè)熱設(shè)計(jì)流程。在通過(guò) T3Ster 測(cè)量獲得的高精度封裝熱模型、材料特性數(shù)據(jù)和界面電阻值的支持下，明導(dǎo)的熱解決方案已經(jīng)幫助電裝在熱設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)超過(guò)90%的虛擬化，同時(shí)使開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本減少了50%以上，預(yù)計(jì)未來(lái)將得到進(jìn)一步改善。

Shinoda表示：“我們的印刷電路板設(shè)計(jì)人員使用FloTHERM PCB，這款產(chǎn)品擁有人性化的用戶界面，并且與FloTHERM PACK相連。此外我們也獲得了明導(dǎo)熱分析工具分銷商 IDAJ 和 KOZO KEIKAKU ENGINEERING(構(gòu)造計(jì)畫(huà)研究所)的大力支持。”